Міністерство освіти і науки України

Національний гірничий університет

Остапчук Олександр Володимирович

УДК 621.316.9:621.616.13

РОЗРОБКА МЕТОДІВ І ЗАСОБІВ КОМПЕНСАЦІЇ

СКЛАДОВих струму ОДНОФАЗНОГО ЗАМИКАННЯ

НА ЗЕМЛЮ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ КАР'ЄРІВ

Спеціальність:

05.09.03 - "Електротехнічні комплекси та системи"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2005

Дисертацією є рукопис

Дисертаційна робота виконана на кафедрі електричних машин Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки

України (м. Дніпропетровськ)

Науковий керівник:

- доктор технічних наук, професор Шкрабець Федір Павлович,

Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), завідувач кафедри електричних машин.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Разумний Юрій Тимофійович, Національний гірничий університет Міністерства освіти і науки України (м. Дніпропетровськ), професор кафедри систем електропостачання;

- кандидат технічних наук, с.н.с. Лікаренко Анатолій Григорович, Криворізький факультет Національної металургійної академії України, Міністерства освіти і науки України (м. Кривий Ріг), доцент кафедри електромеханічного обладнання заводів.

Провідна установа:

- Донецький національний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра гірничої електротехніки і автоматики

ім. Р.М.Лєйбова.

Захист відбудеться 24.11.2005 р. о__14__годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07 з захисту дисертацій при Національному гірничому університеті Міністерства освіти і науки України (49027, м. Дніпропетровськ-27, просп. К. Маркса, 19).

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного гірничого університету Міністерства освіти і науки України за адресою: м. Дніпропетровськ, пр. К. Маркса, 19.

Автореферат розісланий 21.10.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.080.07

канд. техн. наук, доцент А.А. Колб

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гірничодобувна галузь є однією з найважливіших в економіці України. Подальший розвиток гірничого виробництва пов’язаний зі збільшенням потреб в рудах чорних та кольорових металів та інших корисних копалин. При цьому підвищується енергооснащеність праці на відкритих гірничих роботах, і, як наслідок, ускладнюється система електропостачання. У свою чергу збільшення кількісних показників розподільних мереж і устаткування приводять до росту інтенсивності й імовірності ушкоджень, до погіршення умов електробезпеки.

Переважним видом несиметричних ушкоджень у кар'єрних розподільних мережах є однофазне замикання на землю - до 60-70 % від всіх видів ушкоджень. Одним з методів зменшення та локалізації ушкоджень цього виду є безконтактний спосіб гасіння дуги – заземлення нейтрали через індуктивність. При цьому найбільшу ефективність такої міри можна отримати тільки при настроюванні індуктивності в резонанс із ємністю мережі, що досягається при використанні автоматичної системи настроювання. На наслідки аварійного процесу і надійність електропостачання впливають також активна складова та складова вищих гармонік струму замикання на землю.

Характерний недолік існуючих пристроїв компенсації ємнісної складової (у деяких випадках активної) – недосконалі методи визначення контрольованих величин. Тому компенсовані мережі мають потребу в застосуванні нових систем автоматичної компенсації, що забезпечують гнучкість структури й задовольняють вимогам резонансного настроювання.

Отже розвиток методів контролю параметрів і значень аварійних струмів при ушкодженнях ізоляції та створення системи автоматичної компенсації складових струму однофазного замикання на землю для кар'єрних розподільних мереж напругою 6-10 кВ, що забезпечують підвищення електробезпеки й експлуатаційної надійності, є актуальною науковою задачею.

Значний внесок у рішення питань забезпечення надійності й електробезпеки систем електропостачання гірничих підприємств внесли вчені Бацежев Ю.Г., Волотковський С.А., Груба В.І., Дзюбан В.С., Кириленко О.В., Колосюк В.П., Коптіков В.П., Кутін В.М., Обабков В.К., Петров О.О., Півняк Г.Г., Праховник А.В., Разумний Ю.Т. Сінчук О.Н., Шидловський А.К., Шкрабець Ф.П., Щуцкий В.І. та інші. Провідна роль у розробці й впровадженні методів і засобів підвищення надійності й електробезпеки систем електропостачання гірничих підприємств в Україні належить колективам науково-дослідних інститутів: ІЕД НАН України, УкрНДІВЕ, НДІАчермет, МакНДІ, НДІБТГ, Донецького Національного технічного й Дніпропетровського Національного гірничого університетів та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до планів НДР Національного гірничого університету ("Дослідження процесів і параметрів аварійних струмів і розробка методів компенсації ємнісної, активної та гармонійних складових струмів замикання на землю в електричних мережах напругою 6 - 10 кВ гірничозбагачувальних комплексів", № держ. регіст. 0102U003023; "Дослідження екстремальних характеристик перехідних процесів в електричних мережах напругою вище 1000 В при несиметричних ушкодженнях і розробка методів і способів їхнього обмеження для умов гірничозбагачувальних комплексів", № держ. регіст. 0100U001802; "Підвищення ефективності електропостачання на основі оптимізації режиму реактивних навантажень, противоаварійного керування та діагностики підстанцій напругою вище 1000 В”, № держ. регіст. 0102U004858).

Мета й завдання досліджень. Метою дисертаційної роботи є підвищення рівня експлуатаційної надійності й електробезпеки кар'єрних розподільних мереж та електроустаткування напругою вище 1000 В на основі автоматичної компенсації складових струму однофазного замикання на землю.

Для досягнення поставленої мети були сформульовані наступні завдання досліджень:

1. Дослідити вплив характеристик і параметрів елементів систем електропостачання кар'єрів на формування складових струму однофазного замикання на землю.

2. Розробити методи контролю складових струму однофазного замикання на землю розподільних мереж напругою 6-10 кВ без зняття робочої напруги.

3. Розробити методи, обґрунтувати структуру й схему системи автоматичної компенсації складових аварійного струму при замиканнях на землю.

Об'єкт дослідження. Складові аварійних струмів при несиметричних ушкодженнях в систем електропостачання кар'єрів.

Предмет досліджень. Методи контролю та мінімізації значень складових (ємнісної, активної та вищих гармонійних) аварійного струму при однофазних замиканнях на землю в розподільних мережах кар'єрів напругою 6-10 кВ.

Методи виконання досліджень включають: аналітичні методи досліджень; математичне моделювання на основі формалізації досліджуваних процесів і побудови приватних математичних моделей; загальну теорію електричних кіл, а також натурні експерименти й фізичне моделювання з метою практичної перевірки результатів теоретичних досліджень і прийнятих технічних рішень.

Основні наукові положення, результати та їх новизна:

Наукові положення:

1. Автоматичний контроль очікуваних значень активної і реактивної провідності ізоляції відносно землі на основі накладення на компенсовану мережу двох оперативних синусоїдальних сигналів забезпечує безперервне визначення очікуваних значень реактивної і активної складових струму однофазного замикання на землю, що дозволяє забезпечити необхідний режим компенсації.

2. Настроювання режиму при компенсації ємнісної складової струму однофазного замикання на землю слід виконувати на основі порівняння реальних значень ємності й індуктивності всієї мережі відносно землі, що враховує вплив вимірювальних трансформаторів напруги та дозволяє реалізовувати будь-який заданий ступінь розстроювання режиму компенсації від резонансного.

Наукові результати:

1. Встановлено характер впливу на формування реактивної, активної й гармонійних складових струму однофазного замикання на землю, параметрів ізоляції відносно землі й характеристик елементів систем електропостачання кар'єрів і найпоширеніших типів дугогасних реакторів.

2. Значення активної складової струму однофазного замикання на землю визначається активною складовою провідності ізоляції відносно землі всієї електрично зв'язаної мережі й повноти (режиму) замикання, залежить від виконання (повітряні, кабельні) ліній електропередачі й типу дугогасного реактора, становить до 10від ємнісної складової та у реальних умовах практично виключає самоліквідацію ушкодження, що припускає застосування заходів відносно мінімізації активної складової аварійного струму.

3. Склад і значення гармонійної складової струму однофазного замикання на землю в розподільних мережах напругою 6-10 кВ носять випадковий характер і визначаються співвідношенням і кількістю підключених елементів з нелінійною характеристикою, їхніми параметрами й режимом роботи та в реальних системах електропостачання кар'єрів істотно не впливають на загальне значення аварійного струму.

4. Теоретично обґрунтований і розроблений на основі накладення на мережу одночасно двох оперативних синусоїдальних сигналів метод і пристрій автоматичного настроювання компенсації ємнісної та активної складових струму замикання на землю на основі виміру ємнісної й активної складових провідності ізоляції мережі відносно землі.

5. Розроблено алгоритм роботи, функціональну й принципову схеми системи автоматичної компенсації ємнісної й активної складових струму однофазного замикання на землю, технічно реалізованої на базі мікроконтролера.

Обґрунтованість і вірогідність наукових положень, висновків і рекомендацій підтверджується: відповідністю прийнятих при розробці математичних моделей допущень мети й завданням досліджень; обґрунтованістю вихідних посилок, що випливають із фундаментальних законів природних наук і основ теорії електричних кіл; задовільним збігом якісних характеристик результатів теоретичних досліджень із результатами експериментів, виконаних на фізичних моделях; практичним використанням результатів досліджень.

Практичне значення отриманих результатів полягає в створенні методики розрахунку рівня найбільше сильно виражених вищих гармонік для обґрунтування застосування засобів їх мінімізації в системах електропостачання промислових підприємств; розробці автоматичної системи компенсації складових аварійних струмів, що використовує принципово новий спосіб настроювання мережі в резонанс, з точною компенсацією ємнісної й активної складових струму замикання на землю для підвищення експлуатаційної надійності й електробезпеки систем електропостачання кар'єрів. Результати дисертаційної роботи впроваджено:

- ЗАТ "НДІАчермет" – результати теоретичних досліджень, функціональна схема автоматичної системи компенсації складових аварійних струмів для розробки проектно-конструкторської документації;

- УкрНДІВЕ – метод та функціональну схему пристрою автоматичного настроювання компенсації ємнісної й активної складових струму замикання на землю на основі виміру реактивної та активної провідності ізоляції мережі відносно землі;

- Межівский РЕМ ВАТ ЕК "Днепрообленерго" – практичні рекомендації відносно режимів роботи нейтралі розподільних мереж напругою 6-10 кВ.

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював задачі досліджень, наукові положення й результати, виконав теоретичну й практичну частини роботи, приймав безпосередню участь у впроваджені результатів роботи.

У роботах написаних у співавторстві, особистий внесок полягає в наступному: [2-3] – аналіз пошкоджуваності мереж та існуючих методів і пристроїв захисту та обґрунтування нового методу захисту; [6] – розробка функціональної схеми системи автоматичної компенсації активної складової струму однофазного замикання на землю; [7] – розробка системи керування дугогасного реактора при компенсації струму однофазного замикання на землю; [8] – обґрунтування універсального методу настроювання режиму дугогасного реактору.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали й результати, отримані в дисертаційній роботі, доповідалися й одержали схвалення на міжнародній науково-технічній конференції “Тиждень гірника” у Московському державному гірничому університеті (м. Москва, Росія, 2002 р., 2004 р.); Міжнародній науково - технічній конференції "Форум гірняків" (м. Дніпропетровськ, 2002 р.); ІІІ Міжнародної науково-технічної конференції аспірантів і студентів "Автоматизація технологічних об'єктів і процесів. Пошук молодих" (м. Донецьк, 2003 р.); Міжнародній науково - практичній конференції "Україна наукова 2003", (м. Дніпропетровськ 2003 р.); Науково - технічній конференції "Проблеми електромеханічних систем у гірничо-металургійному комплексі" (м. Дніпропетровськ 2004 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 13 наукових працях у тому числі 10 статей у фахових виданнях (з них 5 самостійно) та 3 деклараційних патенти України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку літературних джерел із 70 найменувань (7 сторінок), трьох додатків (3 сторінки). Загальний обсяг дисертації – 144 сторінки, рисунків 34.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність досліджень і сформульовані наукова задача, мета і задачі досліджень, наукові положення, що виносяться на захист, показані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів та їх апробація.

У першому розділі розглянуті особливості експлуатації розподільних мереж на кар’єрах, вплив режиму нейтралі на надійність і електробезпеку цих мереж. Виконано аналіз існуючих методів і засобів зменшення аварійних струмів при замиканні на землю. Показано, що у вирішенні проблеми підвищення якісних експлуатаційних показників систем електропостачання кар’єрів важливе місце належить методам контролю та мінімізації значень складових (ємнісної, активної та вищих гармонійних) аварійного струму при однофазному замиканні на землю. Обґрунтована доцільність використання системи компенсації струмів однофазного замикання на землю, яка забезпечує зниження пошкоджуваності елементів систем електропостачання, а також підвищує надійність та електробезпеку всієї мережі в цілому. Виконаний аналіз дозволив виявити сутність і сформулювати наукову задачу, визначити мету і конкретні задачі досліджень.

У другому розділі виконано оцінку впливу елементів системи електропостачання кар’єру (параметри ізоляції розподільної мережі відносно землі, дугогасні реактори, джерела живлення) на рівень аварійних струмів у мережі.

Струм замикання на землю в розподільних мережах кар’єру залежить від декількох складових:

, (1)

де , , – реактивна, активна і складова вищих гармонік струму замикання.

Реактивна (ємнісна) складова має найбільший вміст, та залежить від ємнісного опору фази відносно землі:

, (2)

де – фазна напруга мережі; – напруга нульової послідовності; – ємнісна провідність ізоляції відносно землі всієї електрично зв'язаної мережі; – провідність перехідного опору в місці замикання на землю.

Для зменшення впливу цієї складової виконується компенсація ємнісного струму індуктивним струмом дугасного пристрою. Тоді для мережі с компенсованою нейтраллю . При цьому струм компенсуючого пристрою:

, (3)

де – індуктивна провідність компенсуючого пристрою.

Вираз для активної складової обумовленої втратами в ізоляції мережі та втратами в дугогасному реакторі при замиканні через перехідний опір матиме наступний вигляд:

, (4)

де – активний опір ізоляції мережі відносно землі; – активний опір дугогасного реактора; – перехідний опір в місці замикання на землю

Складова вищих гармонік, що діє внаслідок впливу елементів з нелінійною вольт амперною характеристикою при перехідному опорі r=0 за відсутністю активних витоків та втрат:

, (5)

де n=3, 5, 7 – порядковий номер гармоніки.

Досліджено типову кар’єрну мережу та розраховано власну частоту коливального контуру при однофазному замикані на землю. Встановлено що, при відсутності компенсації власна частота коливального контуру часто дорівнює частоті 5-ї гармоніки, що може привести до значного підвищення напруги 5-ї гармоніки в аварійному режимі. Якщо виконується компенсація цьому можна запобігти змінючи індуктивність коливального контуру. Було розраховано залежність струму однофазного замикання 5-ї гармоніки від перехідного опору.

Зроблено висновок що на вищі гармонійні складові струму однофазного замикання на землю впливають параметри й індивідуальні характеристики намагнічування окремих, підключених до мережі елементів системи електропостачання, а також наявність вищих гармонік у фазній напрузі джерела.

Третій розділ присвячено розробці методів контролю складових струму однофазного замикання на землю розподільних мереж напругою 6-10 кВ без зняття робочої напруги. Для вирішення цієї проблеми виконано аналіз методів визначення значень ємнісного струму на землю. Виділено загальні недоліки відомих методів до яких належать: складність, а в деяких випадках небезпечність виконання та значні витрати часу персоналу, що обслуговує устаткування. При виконанні контролю активної складової струму замикання на землю часто використовують методи визначення побічної величини – активного опору ізоляції відносно землі. Але методи, які використовувались до цього часу, мають обмежене застосування і вносять значну похибку.

Для аналізу та розрахунку рівня вищих гармонійних складових струму замикання на землю в кар’єрних мережах використано відому методику. Щоб виключити недоліки цієї методики та знизити похибку при виконанні розрахунку враховано індуктивності та ємності ліній розподільних мереж.

Отримані результати дозволили зробити висновок, що на рівень вищих гармонік в струмі замикання на землю найбільший вплив чинить дугогасний реактор, що має нелінійну криву намагнічування. Використана методика може бути корисною для аналізу рівня вищих гармонік будь-якої контрольованої мережі напругою 6-10 кВ.

Розроблено метод визначення та контролю активної, ємнісної та індуктивної складових струму замикання на землю. Метод також може бути використано при визначенні параметрів ізоляції контрольованої мережі (ємність та активний опір ізоляції відносно землі), та параметрів дугогасного пристрою. Суть методу полягає в накладанні одночасно двох оперативних сигналів непромислових частот з подальшим виділенням і опрацюванням цих сигналів.

Схема заміщення розподільної мережі з джерелом непромислових частот зображена на рис. 1

Вирази для оперативних струмів, що накладаються на мережу:

; , (6)

де , , – струм, напруга і частота для першого сигналу;, , – струм, напруга і частота для другого сигналу.

Активний опір фазної ізоляції та ємність однієї фази відносно землі:

; , (7)

Індуктивність та активний опір дугогасного реактору:

; . (8)

Функціональна схема пристрою контролю параметрів ізоляції фази відносно землі та параметрів дугогасного реактора приведена на рис. 2.

Пристрій (контур 2) включає наступні функціональні блоки: захисту від коротких замикань (БЗКЗ); блокування (ББ); узгодження сигналів за рівнем (БУС); перетворення сигналів (БПС); виміру сигналів (БВС), обчислення значень (БО). До контуру 1 належать функціональні елементи, що входять у структуру мікроЕОМ чи мікроконтролера. Пристрій також обчислює значення ємнісної й активної складових у струмі замикання на землю. Отримані значення контрольованих величин відображає блок індикації (БІ).

Для оперативних сигналів, що накладаються на мережу, прийняті частоти 100 і 200 Гц. Цей вибір обумовлений практично повною відсутністю в мережі парних гармонік, що різко знижує похибку виміру від впливу перешкод, і відносно малим впливом ємності приєднань і мережі в цілому на завантаження оперативного джерела. Пристрій забезпечує вимір параметрів ізоляції всієї мережі та дугогасного реактору. Відповідні сигнали знімаються за допомогою датчиків: напруги (ДН), струму (ДС) та коротких замикань (ДКЗ). Для захисту від зовнішніх ушкоджень в мережі пристрій обладнано блоком захисту від коротких замикань. Тому при збільшенні струму до недопустимих значень, блок блокування (ББ) подає сигнал на блок вимкнення (БВ).

Четвертий розділ присвячено розробці методів, обґрунтуванню структури та схеми системи автоматичної компенсації складових аварійного струму при замиканнях на землю. Виконано аналіз відомих методів компенсації та розроблено метод виміру індуктивності дугогасного реактору. для реалізації будь-якого режиму компенсації. Для точного настроювання буде використовуватися умова рівності провідностей , де – індуктивна провідність дугогасного реактора; – ємнісна провідність усієї мережі. Метод виміру індуктивності є продовженням методу контролю складових струму однофазного замикання на землю.

Індуктивна і ємнісна провідності:

, . (9)

Запропонована методика розрахунку ємнісної й індуктивної провідності за обмірюваним значенням ємності з запам'ятовуванням сигналу і настроювання реактора в резонанс (чи з заданим ступенем розстроювання) використовується при розробці системи автоматичної компенсації. Основними вимогами для такої системи керування є безперервний і точний вимір ємності мережі відносно землі (очікуваного ємнісного струму замикання) у нормальному режимі роботи мережі, а потім безінерційне настроювання реактора в резонанс із заміряною ємністю мережі.

При компенсації активної складової струму однофазного замикання на землю запропоновано використовувати метод накладання додаткової напруги . При однофазному замиканні на землю через перехідний опір в аварійному режимі необхідно робити вимір напруги нульової послідовності – параметра залежного від значення перехідного опору.

Активна і реактивна складові струму однофазного замикання на землю:

; . (10)

Для мережі з компенсованою нейтралі характерно розташування векторів струму і напруги при однофазного замикання на землю показано на рис. 3. Можна зробити висновок, що кут між вектором напруги нульової послідовності і вектором струму в дугогасному реакторі не залежить від режиму компенсації, перехідного опору у місці замикання, а визначається параметрами дугогасного реактора і дорівнює близько 90°. При цьому вектор струму в дугогасному реакторі відстає від вектора напруги нульової послідовності. Кут – це кут між напругою нульової послідовності при металевому замиканні і напругою нульової послідовності при замиканні через перехідний опір, а кут – це кут між струмом нульової послідовності і струмом компенсації для випадку – а); кут між струмом нульової послідовності і ємнісним струмом мережі для випадку – б).

Виразимо напругу через і кут :

. (11)

Також з рисунка видно що , тому:

; . (12)

У п’ятому розділі розроблено систему автоматичної компенсації складових аварійного струму при замиканнях на землю. Розроблена система автоматичної компенсації складається з дугогасного реактора з включеним у сигнальну обмотку джерелом накладення сигналів непромислових частот і блоком підмагнічування (БП), включеного через обмотку підмагнічування (ОП); блоком керування (БК) включеного через датчик струму (ДС) по каналу струму і трансформатор (фільтр) напруги (ТН) по каналу напруги; блоку вибору фази (БВФ), напруга на який надходить від трансформатора власних потреб (ТВП) і джерела додаткового струму, розташованого на шинах підстанції. Напруга компенсації надходить від однофазного трансформатора (ОТ), його величина регулюється за допомогою блоку регулювання напруги (БРН).

Функціональна схема системи автоматичної компенсації ємнісної та активної складових однофазного замикання на землю приведена на рис. 4.

Блок керування (контур 2) має наступні функціональні блоки: гальванічної розв'язки і захисту від коротких замикань (БГР та ЗКЗ); вибору і фільтрації сигналів (БВФС); перетворення сигналів (БПС); виміру сигналів (БВС); обчислювальний блок (ОБ); порівняння (БП); пам'яті вимірюваних значень (БПВЗ); керування напругою (БКН); блокування (ББ); керування струмом підмагнічування (БКС). Розроблена функціональна схема блоку керування на рис. 5

До контуру 1 входять блоки інтегровані на базі типового шістнадцятирозрядного мікроконтролера. Переваги цього елемента – високий рівень інтеграції (вбудовані декілька АЦП і ЦАП), що дозволяє реалізувати багатофункціональність пристрою при незначних витратах.

Пристрій вибору ушкодженої фази (БВФ) є одним з найважливіших у системі автоматичної компенсації. Найбільш зручною вхідною величиною вимірювальних органів пристрою вибору ушкодженої фази є напруга нульової послідовності. Використовуючи природні закономірності зміни зазначеної величин у залежності від опору в місці замикання, а також застосовуючи штучні методи зміни тих або інших співвідношень між цими величинами, вдається забезпечити необхідні технічні вимоги в пристрої вибору фази різних областей застосування.

У системі автоматичної компенсації як пристрій визначення ушкодженої фази використовується схема, заснована на принципі порівняння імпульсів фазних напруг і струму додаткового приєднання. Часова діаграма, що пояснює принцип роботи блоку визначення ушкодженої фази рис. 6.

Істотними відмітними ознаками нової системи керування дугогасними реакторами є:–

використання генератора змінних частот для пошуку резонансу реактора з ємністю мережі за допомогою сигналів непромислової частоти;–

підвищення швидкодії при автоматичному настроюванні реактора;–

безпосередній вимір значення ємності й активного опору відносно землі з наступним визначенням значення струму однофазного замикання на землю (з можливістю індикації для персоналу).

Компенсація активної складової струму однофазного замикання на землю на розглянутому пристрої дає наступні переваги:–

висока швидкість регулювання напруги додаткового джерела;–

висока динамічність системи при переході в режим компенсації;–

при компенсації активної складової створюється можливість керування процесом відновлення напруг в електричній мережі після гасіння дуги.

Розроблена система автоматичної компенсації, дає цілий ряд переваг у порівнянні з відомими аналогами:–

можливість роботи з реактором, точно настроєним у резонанс в аварійному режимі мережі; –

спрощення налагодження на об'єкті без проведення досліду однофазного замикання.

ВИСНОВКи

У дисертаційній роботі вирішена науково-практична задача, що полягає в розвитку методів контролю параметрів і значень аварійних струмів при ушкодженнях ізоляції та створення системи автоматичної компенсації складових струму однофазного замикання на землю для кар'єрних розподільних мереж напругою 6-10 кВ, що забезпечують підвищення електробезпеки й експлуатаційної надійності.

Основні наукові результати, висновки і практичні рекомендації дисертаційної роботи полягають у наступному:

1. Встановлено характер впливу на формування реактивної, активної і гармонійних складових струму однофазного замикання на землю навантаження, параметрів ізоляції відносно землі і характеристик елементів систем електропостачання кар'єрів і найбільш розповсюджених типів дугогасних реакторів.

2. Активна складова струму однофазного замикання на землю промислової частоти в загальному випадку обумовлена втратами в дугогасних реакторах, активною провідністю мережі, а в кабельних лініях і активним опором оболонки кабелю і контуру заземлення; встановлено, що при однофазному замиканні на землю в аварійному струмі значення активної складової може досягати до 10від загального значення струму; рекомендовано застосовувати міри зниження (компенсації) цієї величини при струмах однофазного замикання які перевищують 20-30 ампер.

3. Основними джерелами гармонік у кар'єрній мережі напругою 6-35 кВ є силові трансформатори, у кривій напруги яких переважає 5 і 7 гармоніки. Запропоновано методику розрахунку рівня найбільш вагомої гармонійної складової для мереж з ізольованою і компенсованою нейтраллю; результати дослідження кривої струму однофазного замикання на землю показують помітне зростання гармонійної складової в аварійному струмі в мережі з компенсованої нейтраллю через нелінійність дугогасних реакторів.

4. Розроблено новий спосіб визначення реактивної й активної складової провідності ізоляції відносно землі розподільних мереж напругою вище 1000 В під робочою напругою, що ґрунтується на накладенні на мережу одночасно двох оперативних синусоїдальних сигналів непромислової частоти. Автоматичне настроювання при компенсації ємнісної складової струму однофазного замикання на землю варто виконувати на основі порівняння реальних, безупинно вимірюваних значень ємності й індуктивності всієї мережі відносно землі, що забезпечує автоматичний облік впливу всіх елементів мережі на режим настроювання і дозволяє реалізувати будь-який заданий ступінь розстроювання режиму компенсації від резонансного.

5. Компенсація активної складової струму однофазного замикання на землю буде сприяти підвищенню надійності електропостачання за рахунок самоліквідації замикань на землю в електричних мережах з компенсованою нейтраллю; запропонований спосіб компенсації активної складової аварійного струму, що ґрунтується на введенні в мережу додаткової напруги, значення і фаза якого повинні бути погоджені зі станом електричної системи в режимі однофазного замикання на землю.

6. Для автоматичної компенсації ємнісної складової струму однофазного замикання на землю рекомендується конструкція реактора магнітно-вентильного типу, що забезпечує, у сполученні з обраним способом регулювання, плавність регулювання при будь-якому ступені розстроювання.. Для компенсації активної складової струму однофазного замикання на землю відповідно до прийнятого способу компенсації необхідно використовувати напругу ушкодженої фази. Розроблено надійний спосіб і пристрій визначення і вибору ушкодженої фази, що виключає помилку, наявність якої може привести до більш важкої аварії в системі електропостачання.

7. Розроблено структуру, алгоритм керування, функціональну і принципову схеми системи автоматичного настроювання компенсації ємнісної й активної складових струму однофазного замикання на землю для розподільних мереж напругою 6-10 кВ, технічно реалізованої на базі мікроконтролера.

8. Реалізація і впровадження розроблених методів і пристроїв, що забезпечують мінімізацію аварійних струмів при однофазних замиканнях на землю в розподільних мереж напругою 6 -10 кВ дозволить підвищити умови електробезпеки і надійності систем електропостачання і за рахунок самоліквідації ушкоджень і збереження в роботі споживачів одержати економічний ефект.

Основний зміст дисертації опубліковано в роботах:

1. Остапчук А.В. Анализ устройств компенсации емкостных токов в сетях напряжением 6-35 кВ //Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. – 2001. №67.– С.70-72.

2. Шкрабец Ф.П., Скосырев В.Г., Остапчук А.В. Новый принцип выполнения избирательной защиты от несимметричных повреждений в распределительных сетях 6-35 кВ//Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. – 2002.– №68. С.3-9.

3. Остапчук А.В. О влиянии высших гармоник тока однофазного замыкания на характер протекания процесса //Сборник научных трудов НГУ Днепропетровск: РИК НГУ №15, Том 2.– 2002.– С. 232-236.

4. Шкрабец Ф.П., Дворников А.А., Остапчук А.В. Скосырев В.Г. Надежность и электробезопасность распределительных сетей горных предприятий //Горный информационно-аналитический бюллетень.– 2003. №3 – С.205-207.

5. Остапчук А.В Методики практической оценки уровня высших гармоник тока однофазного замыкания //Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. – 2003.– № 70.– С. 30-35.

6. Шкрабец Ф.П., Остапчук А.В. Система автоматической компенсации активной составляющей тока замыкания на землю //Науковий вісник НГУ.– 2004.–№3. – С.35-38.

7. Шкрабец Ф.П., Остапчук А.В. Система автоматического управления дугогасящим реактором //Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. – 2003.– № 71.– С. 14-17.

8. Шкрабец Ф.П., Остапчук А.В. Контроль параметров изоляции и режима настройки дугогасящих реакторов //Горный информационно-аналитический бюллетень.– 2004.–№6 –С.320-322.

9. Остапчук А.В Оценка факторов влияющих на гармонический состав аварийных токов в распределительных сетях карьеров //Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. – 2004.– №72.– С. 22-27.

10. Остапчук А.В Метод компенсации активной составляющей тока замыкания на землю //Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. – 2004.– №73.– С. .

11. Деклараційний патент на винахід 55738 А (Україна) Спосіб контролю ізоляції та пристрій для його здійснення /Шкрабець Ф.П., Скосарєв В.Г., Остапчук О.В.

12. Деклараційний патент на винахід № 55794 А (Україна) Спосіб виборчого захисту від замикань на землю в трифазних розподільних мережах напругою вище 1000 В /Шкрабець Ф.П., Скосарєв В.Г., Остапчук О.В.

13. Деклараційний патент на винахід № 55904 А (Україна) Пристрій виборчого захисту від замикань на землю в трифазних розподільних мережах напругою вище 1000 В /Шкрабець Ф.П., Скосарєв В.Г., Остапчук О.В.

Анотація

Остапчук О.В. Розробка методів і засобів компенсації складових струму однофазного замикання на землю в електричних мережах кар'єрів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.09.03 – "Електротехнічні комплекси та системи". – Національний гірничий університет, Дніпропетровськ, 2005.

Дисертація присвячена розробці методів мінімізації складових струму замикання на землю і створенні системи автоматичної компенсації в кар'єрних розподільних мережах напругою 6-10 кВ, що забезпечує підвищення рівня експлуатаційної надійності й електробезпеки.

Встановлено характер впливу на формування складових струму однофазного замикання на землю параметрів ізоляції відносно землі. Теоретично обґрунтований і розроблений на основі накладення на мережу одночасно двох оперативних синусоїдальних сигналів метод виміру ємнісної й активної провідності ізоляції мережі відносно землі і розрахунку очікуваних значень ємнісної й активної складової аварійного струму, а також автоматичного настроювання будь-якого заданого режиму компенсації. Розроблено алгоритм роботи, функціональну і принципову схеми системи автоматичної компенсації ємнісної та активної складової струму однофазного замикання на землю.

Ключові слова: автоматичне настроювання, режим нейтралі, однофазне замикання, компенсація струму замикання на землю.

Аннотация

Остапчук А.В. Разработка методов и средств компенсации составляющих тока однофазного замыкания на землю в электрических сетях карьеров. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.09.03 – "Электротехнические комплексы и системы". – Национальный горный университет, Днепропетровск, 2005.

Диссертация посвящена разработке методов минимизации составляющих тока замыкания на землю и создании системы автоматической компенсации в карьерных распределительных сетях напряжением 6-10 кВ, что обеспечивает повышение уровня эксплуатационной надежности и электробезопасности.

Разработаны математические модели и установлен характер влияния на формирование реактивной, активной и гармонических составляющих тока однофазного замыкания на землю параметров изоляции относительно земли, характеристик элементов систем электроснабжение карьеров и наиболее распространенных типов дугогасящих реакторов. Активная составляющая тока однофазного замыкания на землю промышленной частоты в общем случае обусловлена потерями в дугогасящих реакторах, активной проводимостью сети, а в кабельных линиях и активным сопротивлением оболочки кабеля и контура заземления, и может достигать значения до 10полного тока замыкания. Сделан вывод о целесообразности применения меры снижения (компенсации) активной составляющей при токах однофазного замыкания, которые превышают несколько десятков ампер.

Предложена методика расчета уровня наиболее сильно выраженных высших гармоник, для использования в системах контроля компенсированных сетей напряжением 6-10 кВ промышленных предприятий.

Теоретически обоснован и разработан на основе наложения на сеть одновременно двух оперативных синусоидальных сигналов метод и устройство измерения емкостной и активной проводимости изоляции сети относительно земли и параметров дугогасящего реактора. Данный метод позволяет рассчитать ожидаемые значения емкостной составляющей аварийного тока, для автоматической настройки любого заданного режима компенсации. Для автоматической компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю рекомендуется конструкция реактора магнитно-вентильного типа, обеспечивающая, в сочетании с выбранным способом регулирования, плавность регулирования и любую степень расстройки. Исследован характер протекания высших гармоник в карьерной сети и приведена методика для расчета наиболее сильно выраженной гармоники в токе однофазного замыкания на землю, для контроля уровня высших гармоник в компенсированных сетях промышленных предприятий.

Для компенсации активной составляющей тока замыкания на землю используется способ, основанный на введении в сеть дополнительного напряжения, значение и фаза которого должны быть согласованы с состоянием электрической системы в режиме однофазного замыкания на землю. Причем напряжение выбирается с учетом переходного сопротивления, действующего в точке замыкания.

Исследованы положения векторов параметров нулевой последовательности и разработаны математические модели, на основании которых предложена методика расчета напряжения компенсации при локализации активной составляющей тока замыкания на землю.

На основе синтеза методов компенсации емкостной и активной составляющих тока замыкания на землю разработан алгоритм работы, функциональная и принципиальная схемы системы автоматической компенсации полного тока однофазного замыкания на землю. Управляющий орган системы компенсации реализован на базе микроконтроллера. В систему включен разработанный блок выбора фазы, который обеспечивает точный выбор поврежденной фазы для наложения напряжения в противофазе, что повышает надежность и эффективность всей системы.

Ключевые слова: автоматическая настройка, режим нейтрали, однофазное замыкание на землю, компенсация тока замыкания на землю.

Abstract

Ostapchuck O.V. Development of methods and facilities for single-phase ground short circuit current component compensation in electric networks of quarries. Manuscript.

Thesis for candidate’s degree by specialty 05.09.03 – “Electrotechnical complexes and systems”. – National Mining University, Dnipropetrovsk, 2005.

The thesis is devoted to elaboration of methods of ground short circuit current components minimization and creation of automatic compensation system for quarry distributive networks of 6 – 10 kV, providing increase of reliability and electric safety.

The influence of line-to-ground isolation on Single-phase ground short circuit component is analyzed. The method of ohmic and capacitive succeptance measuring based on superposition of two sine operative signals and method of capacitive and active fault current components forecast is developed and theoretically grounded. Automatic compensation mode adjusting is proposed. Operation algorithm, functional and principle circuits of automatic compensation system for capacitive and active current component are developed.

Key words: automatic adjusting, type of neutral, single-phase ground short circuit.

ОСТАПЧУК Олександр Володимирович

РОЗРОБКА МЕТОДІВ І ЗАСОБІВ КОМПЕНСАЦІЇ

СКЛАДОВих струму ОДНОФАЗНОГО ЗАМИКАННЯ

НА ЗЕМЛЮ В ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ КАР'ЄРІВ

(Автореферат)

Підписано до друку . Формат 30 х 42/4.

Папір Polspeed. Ризографія. Умовн. друк. арк. 0,9.

Обліково-видавніч. арк. 0,9. Тираж 100 прим. Зам. № 381.

Безкоштовно.

РВК НГУ

49027, м. Дніпропетровськ, 27, просп. К. Маркса, 19.